DE112017000422T5

DE112017000422T5 - Kraft- / drehmomentsensor mit instrumentierung auf weniger als vierträgeroberflächen

Info

Publication number: DE112017000422T5
Application number: DE112017000422.5T
Authority: DE
Inventors: Everett Lester Bradford
Original assignee: ATI Industrial Automation Inc
Current assignee: ATI Industrial Automation Inc
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-11-15
Also published as: JP6615365B2; KR102080426B1; US20170205296A1; KR20180099799A; WO2017127337A1; US10422707B2; JP2019503483A

Abstract

Ein Kraft-/Drehmomentsensor (10) mit einer Werkzeugadapterplatte (WAP), wobei die WAP (12) mit einer Montageplatte (MAP) verbunden ist, wobei WAP (14) durch einen oder mehrere radial beabstandete, verformbare Träger (16) ein Paar an Deformationsmesselementen (1-6) aufweist, die nur an einer Oberfläche jedes Trägers (16) befestigt sind. Die beiden Deformationsmesselemente (1-6) sind beispielsweise an der oberen Oberfläche auf jeder Seite, und beabstandet von einer neutralen Achse (18) des Trägers (16), angebracht. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des Sensors (10) in einer Ausführungsform, die aus einem einzigen Stück Metallmaterial hergestellt ist. Die zweiten Deformationsmesselemente (1-6) können in einer Viertelbrückentopologie verbunden sein. In einer Ausführungsform ist ein anderes Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an der gleichen Seite des Trägers (16) befestigt, und die vier Deformationsmesselemente (1-6) sind in eine Halbbrückentopologie verdrahtet. In einer anderen Ausführungsform ist ein zweites Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an der gegenüberliegenden Seite des Trägers (16) befestigt, und die vier Deformationsmesselemente (1-6) sind in einer Halbbrückentopologie verdrahtet - obwohl diese Ausführungsform einige Vorteile aufgibt, die den Platzbedarf und die Einfachheit der Herstellung betreffen, ermöglicht es die elektrische Eliminierung von GleichtaktSignalkomponenten, wie beispielsweise diejenigen, die durch Temperaturdrift verursacht werden. In einer Ausführungsform wird ein Deformationsmesselement (1-6) mit einem nicht belasteten Element (37) des Sensors (10) verbunden, um ein Signal für die Temperaturkalibrierung bereitzustellen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Kraft- / Drehmomentsensor für Roboteranwendungen, und insbesondere einen kompakten Kraft- / Drehmomentsensor, der Deformationsmesselemente bzw. Dehnungsmesselemente aufweist, die an nur einer Oberfläche eines verformbaren Trägers befestigt sind.
HINTERGRUND
Die Robotik ist ein wachsendes und zunehmend wichtiges Gebiet in industriellen, medizinischen, wissenschaftlichen und anderen Anwendungen. In vielen Fällen, in denen ein Roboterarm oder ein daran befestigtes Werkzeug ein Werkstück berührt, muss die Kraft und / oder das Drehmoment genau überwacht werden. Dementsprechend ist ein Kraft- / Drehmomentsensor ein wichtiger Teil vieler Robotersysteme.
Ein konventioneller Typ eines Kraft- / Drehmomentsensors verwendet Deformationsmesselemente bzw. Deformationsmessstreifen zur Messung der Verformung von kleinen Trägern, die zwei mechanische Teile verbinden - einen, der mit dem Roboterarm verbunden ist, und den anderen, der mit einem Roboterwerkzeug (oder einer mechanischen Kopplung mit dem Werkzeug) verbunden ist. Zum Beispiel ist ein zentraler „Zentralbereich“, der in der Technik als Werkzeugadapterplatte (WAP) bezeichnet wird, mit einem Werkzeug verbunden. Ein weiterer Körper, der ringförmig um die WAP herum angeordnet und von diesem beabstandet ist, der in der Technik als Montageadapterplatte (MAP) bezeichnet wird, ist mit einem Roboterarm verbunden. Die MAP und die WAP sind miteinander durch eine Vielzahl von relativ dünnen (und daher mechanisch verformbaren) Trägern verbunden, die radial um die WAP angeordnet sind - in einigen Fällen den Speichen eines Rades ähnlich. Relative Kraft oder Drehmoment zwischen Objekten, die jeweils an die WAP und die MAP angebracht sind, versuchen, die MAP relativ zu der WAP zu bewegen, was zu einer leichten Verformung oder Biegung von zumindest einigen der Träger führt.
Herkömmlicherweise sind Deformationsmesselemente an allen vier Oberflächen jedes Trägers befestigt, und zwar nominal in der Mitte jeder entsprechenden Oberfläche. Die Messgeräte übertragen Zug- und Druckspannungen an den Oberflächen der Träger in elektrische Signale. Als ein Beispiel für deren Betrieb betrachte man Kräfte in oder parallel zur Ebene von WAP und MAP - d.h. ein Drehmoment in der z-Richtung (Tz, unter Verwendung der „Rechten-Hand-Regel“) oder eine Kraft in x- oder y-Richtung (Fxy). Diese Kräfte werden versuchen, zumindest einige der Träger zur Seite zu biegen. In diesem Fall wird ein Deformationsmesselement auf einer Seite eines Trägers eine Druckspannung detektieren, und ein Messgerät auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers wird eine Zugspannung detektieren. Diese Messgeräte geben starke Signale mit entgegengesetzter Polarität aus. Deformationsmesselemente auf der oberen und unteren Oberfläche desselben Trägers geben sehr schwache, oder überhaupt keine, Signale aus. Umgekehrt erzeugen Kräfte, die versuchen, die MAP oder WAP aus ihrer gemeinsamen Ebene (Fz, Txy) zu bewegen, starke und entgegengesetzte Ausgangssignale von den Deformationsmesselementen auf der oberen und unteren Trägerfläche, und zwar mit geringem Beitrag von Deformationsmesselementen an den Seiten.
Sobald kalibriert, werden Signale von allen vier Deformationsmesselementen an allen Träger zusammen verarbeitet, um die Größe und Richtung der relativen Kraft und / oder des Drehmoments zwischen dem Roboterarm und dem Werkzeug (und somit die durch das Werkzeug auf ein Werkstück ausgeübte Kraft / Drehmoment) aufzulösen. Die Ausstattung eines Kraft- / Drehmomentsensors ist eine wesentliche Kostenquelle im Produkt, da sie eine präzise und hochqualifizierte manuelle Arbeit erfordert. Die Ausstattung erlegt dem mechanischen Design des Sensors auch Konstruktionsbeschränkungen auf, da um jede der vier ausgestatteten Oberflächen jedes Trägers herum ein erheblicher physikalischer Raum erforderlich ist, um diesen zu betrachten und Zugriff auf das Handwerkzeug zu erhalten. Diese Einschränkungen werden bei sehr kleinen Sensorgrößen besonders restriktiv und können eine suboptimale Sensorgeometrie erfordern, um den Aufbau einzufassen und die Überprüfung der Ausstattung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist eine langwierige und komplexe Verbindungsdrahtführung erforderlich, um elektrische Signale von Deformationsmesselementen an allen vier Oberflächen jedes Trägers zu einer zentralen Verarbeitungsschaltung zu übertragen, was das Risiko eines Geräteversagens erhöhen kann.
Der Hintergrundabschnitt dieses Dokuments wird bereitgestellt, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einen technologischen und operativen Kontext zu bringen, um den Fachmann beim Verstehen ihres Umfangs und Nutzens zu unterstützen. Wenn nicht ausdrücklich als solche gekennzeichnet, wird keine Aussage hierin lediglich durch ihre Einbeziehung in den Hintergrundabschnitt zum Stand der Technik erklärt.
ZUSAMMENFASSUNG
Das Folgende stellt eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung dar, um dem Fachmann ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über die Offenbarung und soll keine Schlüsselelemente oder kritischen Elemente von Ausführungsformen der Erfindung identifizieren oder den Umfang der Erfindung skizzieren. Der einzige Zweck dieser Zusammenfassung ist es, einige hierin offenbarte Konzepte in einer vereinfachten Form als Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die nachfolgend präsentiert wird, zu darzustellen.
Gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen und beanspruchten Ausführungsformen umfasst ein Kraft- / Drehmomentsensor ein Paar an Deformationsmesselementen, die an nur einer Oberfläche jedes Trägers befestigt sind, der eine WAP und eine MAP verbindet. Die zwei Deformationsmesselemente sind z.B. an der obere Fläche auf jeder Seite befestigt und von einer neutralen Achse des Trägers beabstandet. Dadurch, dass nur ein Zugang zu der oberen Trägerfläche erforderlich ist, ist eine sehr kompakte Sensorkonstruktion möglich - welche gemäß einer Ausführungsform aus einem einzigen Stück Metallmaterial hergestellt ist. Die einzelne Oberfläche ermöglicht die Verwendung automatisierter Herstellungstechnologien, wie z.B. das Drahtbonden der Deformationsmesselemente an Kontaktstellen einer Leiterplatte oder einer Oberflächenmontage der Deformationsmesselemente an einem flexiblen Schaltkreissubstrat sowie das Kleben des Substrats an die Trägeroberfläche. Die beiden Deformationsmesselemente können in einer Viertelbrückentopologie verbunden sein. Bei einer Konfiguration mit drei Trägern und sechs Messgeräten summieren sich die positiven und negativen Ausgabesignale der sechs Deformationsmesselemente (aufgrund der Übertragung von entweder Druck- oder Zugkräften) in fünf der sechs Kraft- / Drehmomentachsen (Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz) auf; bekannte Kraft- / Drehmomentsensorkonstruktionen erreichen dies nur für vier von sechs Achsen. Dies erleichtert die mathematische Löschung von Gleichtaktsignalkomponenten, wie etwa Temperaturdrift. In einer Ausführungsform ist ein anderes Paar an Deformationsmesselementen an der gleichen Seite des Trägers befestigt, und die vier Deformationsmesselemente sind in einer Halbbrückentopologie verdrahtet. In einer anderen Ausführungsform ist ein zweites Paar von Deformationsmesselementen an der gegenüberliegenden Seite des Trägers befestigt, und die vier Messgeräte sind in einer Halbbrückentopologie verdrahtet. Die Halbbrückentopologien erreichen eine elektrische Eliminierung von Gleichtaktsignalkomponenten. In einer Ausführungsform kann diejenige der sechs Achsen, die nicht zu null summiert, durch Invertieren des Anregungspotentials ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist ein siebtes Deformationsmesselement mit einem nicht beanspruchten Element des Sensors verbunden, um ein Signal für die Temperaturkalibrierung bereitzustellen.
Eine Ausführungsform betrifft einen Kraft- / Drehmomentsensor. Der Sensor enthält eine Werkzeugadapterplatte (WAP), die mit einem ersten Objekt verbunden werden kann, und eine Montageadapterplatte (MAP), die mit einem zweiten Objekt verbunden werden kann. Der Sensor inkludiert auch einen oder mehrere verformbare Träger, die die WAP mit der MAP verbinden. Ein erstes Paar an Deformationsmesselementen ist nur an einer Seite jedes Trägers befestigt. Die Deformationsmesselemente befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten einer neutralen Achse des Trägers und sind von dieser beabstandet, und sie sind dazu eingerichtet, um Zug- und Druckkräfte an der Oberfläche der einen Seite des Trägers, die durch die Verformung des Trägers verursacht werden, in elektrische Signale umzuwandeln. Der Sensor umfasst ferner eine Messschaltung, die in Erwiderung auf elektrische Signale von allen Deformationsmesselementen die Richtung und Größe der Kraft und des Drehmoments zwischen dem ersten und zweiten Objekt messen kann.
Eine andere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines einstückigen Kraft- / Drehmomentsensors aus einem scheibenförmigen Metallmaterial. Das Material hat eine koplanare obere und untere Oberfläche von im Allgemeinen kreisförmiger Form mit einer Dicke zwischen der oberen und unteren Oberfläche. Blindaussparungen sind in und quer zur oberen Oberfläche eingefräst. Die Blindaussparungen erstrecken sich in der Tiefe weniger als die Dicke des Materials. Die Blindaussparungen definieren einen im Allgemeinen kreisförmigen Zentralbereich in der Mitte des Materials, einen ringförmigen Körper, der den Zentralbereich umgibt, und einen oder mehrere Träger, die radial um den Zentralbereich angeordnet sind und eine Verbindung zwischen dem Zentralbereich und dem ringförmigen Körper herstellen. Die oberen Oberflächen des Zentralbereichs und der Träger werden so abgefräst, dass sie niedriger als die obere Oberfläche des ringförmigen Körpers sind. Ein Reliefschnitt wird parallel zur oberen Oberfläche in einem Abstand von der oberen Oberfläche gefräst, der nicht größer als die Tiefe der Blindaussparungen ist. Der Reliefschnitt wird durch den ringförmigen Körper und die Träger, aber nicht durch den Zentralbereich gefräst. Der Reliefschnitt definiert einen Boden, mit dem der Zentralbereich, aber nicht der ringförmige Körper und die Träger verbunden sind, so dass der ringförmige Körper nur durch die Träger mit dem Zentralbereich verbunden bleibt. Ein Paar an Deformationsmesselementen ist nur auf der Oberseite eines jeden Trägers auf gegenüberliegenden Seiten einer neutralen Achse des Trägers befestigt und von dieser beabstandet. Die Deformationsmesselemente sind dazu eingerichtet, Zug - und Druckkräfte an der Oberfläche der Oberseite des Trägers, welche durch Deformation des Trägers herbeigeführt werden, in elektrische Signale umzuwandeln. Die Deformationsmesselemente an jedem Träger sind elektrisch mit einer Verarbeitungsschaltung verbunden.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung sollte jedoch nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr sind diese Ausführungsformen so vorgesehen, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und den Umfang der Erfindung Fachleuten auf dem Gebiet vollständig vermittelt. Gleiche Zahlen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.

1 ist eine Draufsicht eines Kraft- / Drehmomentsensors.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Trägers des Kraft- / Drehmomentsensors aus 1.
3 ist eine Schnittansicht und ein Funktionsschaltungsschema einer Viertelbrückenschaltungstopologie von Deformationsmesselementen an einem Träger.
4A bis 4G sind perspektivische Ansichten, die aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines einstückigen Kraft- / Drehmomentsensors zeigen.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines einteiligen Kraft- / Drehmomentsensors.
6 ist eine perspektivische Ansicht des Drahtverbindens von Deformationsmesselementen an einer PCB.
7 ist eine perspektivische Ansicht von Deformationsmesselementen, die an einem flexiblen Schaltungssubstrat oberflächenmontiert sind.
8 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Kraft- / Drehmomentsensors, der ein nicht belastetes Element zum Anbringen eines temperaturkompensierenden Deformationsmesselements zeigt.
9 ist eine Schnittansicht und ein Funktionsschaltungsschema einer X-Verbindungshalbbrückenschaltungstopologie von Deformationsmesselementen an einem Träger.
10 ist eine Schnittansicht und ein Funktionsschaltungsschema einer Halbbrückenschaltungstopologie mit einer invertierten Anregungspolarität.
11 ist eine Draufsicht auf einen Kraft- / Drehmomentsensor mit zwei Deformationsmesselementpaaren, die nur an der oberen Oberfläche jedes Trägers befestigt sind.
12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Trägers des Kraft- / Drehmomentsensors aus 9 mit einem überlagerten Funktionsschaltungsschema, das eine Halbbrückentopologie darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zur Vereinfachung und zur Veranschaulichung wird die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Dem Durchschnittsfachmann ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung ohne Beschränkung auf diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In dieser Beschreibung wurden wohlbekannte Verfahren und Strukturen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
Erfinderische Deformationsmesselementplatzierung
1 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Kraft- / Drehmomentsensors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine WAP 12 ist mit einer MAP 14 durch drei Träger 16a, 16b, 16c verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Träger 16 direkt mit der WAP 12 verbunden und ist mit der MAP 14 durch Biegeelemente 17 verbunden, die die Verformung der Träger 16 unter mechanischer Belastung unterstützen. Die WAP 12 ist derart konfiguriert, dass sie über ein Durchgangsloch 30 oder durch Gewindebohrungen in der Unterseite des Sensors 10 (nicht in 1 gezeigt) mit einem ersten Objekt, beispielsweise einem Roboterwerkzeug, verbunden ist. Die MAP 14 ist konfiguriert, um mit einem zweiten Objekt, beispielsweise einem Roboterarm, über eine Vielzahl von Montageöffnungen 32 verbunden zu werden. Obwohl es aus dieser Sicht nicht klar ist, sind die WAP 12 und die MAP 14 nur durch die Träger 16 verbunden.
An (nur) die obere Oberfläche jedes Trägers 16 sind Deformationsmesselemente 1-6 angebracht. Als eine Referenz für eine spätere Diskussion sind die Messgeräte 1 und 2 an dem Träger 16a befestigt; die Messgeräte 3 und 4 sind an dem Träger 16b befestigt, und die Messgeräte 5 und 6 sind an dem Träger 16c befestigt. 1 zeigt auch zwei Achsen eines kartesischen dreidimensionalen Referenz-Koordinatensystems (z-Richtung erstreckt sich aus der Figur heraus), die verwendet werden, um Kräfte und Drehmomente in der folgenden Offenbarung eindeutig zu kennzeichnen.
Obwohl dies in 1 nicht dargestellt ist, inkludiert der Kraft- / Drehmomentsensor 10 auch eine Verarbeitungsschaltung, die dazu eingerichtet ist, elektrische Signale von jedem Deformationsmesselement 1-6 zu empfangen und die Signale zu verarbeiten, um die Größe und Richtung der Kraft / der Kräfte und des Drehmoments /der Drehmomente aufzulösen, zwischen der MAP 14 und der WAP 12 ausgeübt werden. Solche Verarbeitungsschaltungen können z.B. ein Mikroprozessor, der mit einem Speicher gekoppelt ist, der dazu eingerichtet ist, Programmcode und Sensordaten zu speichern, betreffen.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Trägers 16a, der sich aufgrund einer auf der WAP 12 aufgebrachten Kraft F relativ zur MAP 14 verformt. Diese Kraft verformt den Träger 16a geringfügig nach links (die Figur ist nicht maßstabsgetreu). Eine Druckkraft wird auf der linken Seitenfläche des Trägers 16a induziert und eine Zugkraft wird auf der rechten Seitenfläche induziert. Im Stand der Technik würden auf diesen Oberflächen befestigte Deformationsmesselemente starke Signale mit entgegengesetzter Polarität erzeugen, aus denen die Verformung, und somit die ausgeübte Kraft F, ermittelt werden könnte. Die zwei Seiten der oberen Oberfläche des Trägers 16a erfahren jedoch auch die Druck- und Zugspannung in einer Größe, die mit einem Abstand von einer neutralen Achse 18 zunimmt. Die neutrale Achse 18 ist die Linie, die im Allgemeinen von der Mitte der oberen Oberfläche des Trägers 16a nach unten verläuft, wobei die Druckspannung, die auf der linken Seite des Trägers 16a auftritt, in eine Zugspannung auf der rechten Seite übergeht. Dementsprechend erfährt der Träger 16a keine Spannung an der neutralen Achse 18.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Paar an Deformationsmesselementen 1, 2 nur an der oberen Oberfläche des Trägers 16a befestigt. Die Deformationsmesselemente 1, 2 sind auf jeder Seite der neutralen Achse 18 angeordnet und von dieser beabstandet. Differentielle Signale, wie z. B. Signale mit entgegengesetzten Polaritäten, von den Deformationsmesselementen 1, 2 zeigen ein Biegen des Trägers 16a in der Ebene der oberen Oberfläche an (d.h. Tz, Fxy). Gleichtaktsignale (gleiche Polarität) würden eine Biegen des Trägers 16a in der z-Richtung anzeigen (d.h. verursacht durch Fz, Txy).

In einer Ausführungsform ist das Paar an Deformationsmesselementen an jedem Träger 16 in einer Viertelbrückentopologie verdrahtet, wobei zwei feste Widerstände verwendet werden, was in 3 dargestellt ist. Die sechs Deformationsmesselemente 1-6, die wie in 1 dargestellt an den Trägern 16a-c befestigt sind, erzeugen unter Bezugnahme auf das kartesischen Koordinatensystems nach 1 unter Berücksichtigung der sechs angewandten Kräfte und Drehmomente die nachfolgenden Signale. In der folgenden Tabelle wird eine starke Zugkraft mit „T“, eine schwache Zugkraft mit „t“, eine starke Druckkraft mit „C“ und eine schwache Druckkraft mit „c“ bezeichnet. Tabelle 1: Deformationsmesselementausgabesignale bei spezifischen Kräften / Drehmomenten

	Kraft X	Kraft Y	Kraft Z	Drehmoment X	Drehmoment Y	Drehmoment Z
Messgerät 1	C	Keine	T	T	Keine	T
Messgerät 2	T	Keine	T	T	Keine	C
Messgerät 3	t	T	T	c	C	T
Messgerät 4	c	C	T	C	C	c
Messgerät 5	t	C	T	C	T	T
Messgerät 6	c	T	T	c	T	C

Bei Betrachtung von Tabelle 1 wird klar, dass die unter jeder Belastungsbedingung erzeugten Signale eindeutigen Mustern folgen und daher durch ein bekanntes Kalibrierungsmatrixverfahren in Kräfte und Drehmomente aufgelöst werden können.
Einteilige Sensorherstellung und automatisierte Verdrahtungsoptionen
Die Notwendigkeit des Zugangs zu nur einer Trägeroberfläche schafft signifikante Vorteile bei der Herstellung der mechanischen Teile eines Kraft- / Drehmomentsensors. In einer Ausführungsform wird ein ganzer Sensor aus einem einzigen Metallstück hergestellt. Dies eliminiert die herkömmlichen separaten MAP- und WAP-Stücke und die mechanischen Schnittstellen dazu, wodurch die Anzahl der Teile und die erforderlichen Montageschritte reduziert werden. Zusätzlich ist die einstückige Konstruktion kompakter als bekannte Kraft- / Drehmomentsensoren, die über den gleichen Bereich von Kraft- / Drehmomentgrößen arbeiten, aufgrund der Notwendigkeit, nur auf die obere Oberfläche der Träger 16 zuzugreifen, um die Deformationsmesselemente 1-6 zu befestigen. Darüber hinaus hat das einteilige Design eine sehr hohe Steifigkeit und keine Rutschgefahr, da keine Schraubverbindungen vorhanden sind.
Ein einteiliger Kraft- / Drehmomentsensor, der z.B. aus Aluminium hergestellt ist, ist in den 4F und 4G dargestellt. Der Sensor 10 inkludiert ein Durchgangsloch 30 durch den WAP-Abschnitt 12 und die Befestigungsmerkmale 32 auf dem MAP-Abschnitt 14. Es kann ohne Funkenerosionsbearbeitung (EDM) unter Verwendung von Schaftfräswerkzeugen, die nicht kleiner als 3/32 Zoll sind, gemäß einem Verfahren hergestellt werden, das unter Bezugnahme auf die 4A-G dargestellt ist.
4A zeigt den Ausgangspunkt: ein scheibenförmiges Stück Metallmaterial mit parallelen, im Allgemeinen kreisförmigen oberen und unteren Oberflächen und einer Dicke dazwischen. Wie in 4B dargestellt, werden Blindaussparungen eingefräst, um die Träger 16 und die Biegeelemente 17 zu bilden, die sogleich beginnen, einen Zentralbereich zu bilden, der zu der WAP 12 wird, der getrennt von einem ringförmigen Körper, der die MAP 14 wird, ist.
4C zeigt, dass die obere Oberfläche der WAP 12, die Träger 16 und die Biegeelemente 17 unterhalb der oberen Oberfläche der MAP 14 abgefräst sind. Dies erzeugt eine erhöhte Montagefläche für die MAP-Seite 14 des Sensors 10. Eine nicht strukturelle Abdeckung kann später eingesetzt werden, um die Träger 16 und die Elektronik vor Staub und mechanischer Beschädigung zu schützen. Wenn eine Durchgangsöffnung 30 für die Montage oder für den Durchgang von elektrischen oder Fluidleitungen gewünscht wird, wird es durch die WAP 12 gebohrt, was in 4D dargestellt ist. 4E zeigt die MAP 14 - Montageöffnungen 32, die gebohrt und mit Gewinde versehen werden. In einer Ausführungsform haben die Montageöffnungen 32 zur zusätzlichen Kostenreduzierung ein identisches Muster an den MAP- und WAP-Seiten und werden in einem einzigen Schritt gebohrt und gewindegeschnitten.
Als nächstes wird ein Reliefschnitt 34 auf der Seite des Sensors 10 vorgenommen, wie in 4F gezeigt ist. Der Reliefschnitt 34 ist nicht niedriger (gemessen von der oberen Oberfläche der MAP 14) als die Tiefe der Blindaussparungen, die ausgefräst sind, um die Träger 16 und Biegeelemente 17 zu bilden. Dementsprechend trennt der Reliefschnitt 34 die MAP 14 von jeder anderen mechanischen Verbindung mit der WAP 12, abgesehen von der Vrbindung über die Träger 16. Mit anderen Worten, und wie am besten in der Schnittansicht von 4G gezeigt, während die WAP mit dem „Boden“ des Sensors unter dem Reliefschnitt 34 verbunden ist, gilt dies nicht für die MAP 14 - vielmehr „gleitet“ diese frei von dem Sensor 10, welcher mit der TAP 12 nur über die Träger 16 und Biegeelemente 17 verbunden ist. In dem fertigen Produkt kann der Spalt 34 mit einer kompressiblen Schaumdichtung gefüllt sein, um das Eindringen von Staub zu verhindern.
4F zeigt den fertigen Körper des Kraft- / Drehmomentsensors 10 in einer vollständig perspektivischen Ansicht. 4G zeigt den fertigen Sensorkörper in geschnittener perspektivischer Ansicht. In verschiedenen Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale enthalten sein, um die Elektronik zu schützen, um Verdrahtungen und den Zugriff auf LED-Anzeigen bereitzustellen, und dergleichen. In einer Ausführungsform wird ein Abschnitt der WAP 12 gefräst, um alle mechanischen Belastungen von dieser weitgehend zu entfernen, wodurch ein Montageort für ein Temperaturkompensationsmessgerät gebildet wird, was hierin ausführlicher erörtert wird.
5 zeigt die Schritte eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines einstückigen Kraft- / Drehmomentsensors 10 aus einem scheibenförmigen Metallmaterial. Das Material hat eine koplanare obere und untere Oberfläche mit im Allgemeinen kreisförmiger Form und einer Dicke zwischen der oberen und unteren Oberfläche. Zunächst werden Blindaussparungen in und quer zur Oberseite gefräst. Die Blindaussparungen erstrecken sich in der Tiefe weniger als die Dicke des Materials. Sie definieren einen im Allgemeinen kreisförmigen Zentralbereich 12 in der Mitte des Sensors, einen ringförmigen Körper 14, der den Zentralbereich umgibt, und eine Vielzahl von Trägern 16, die radial um den Zentralbereich 12 angeordnet sind und den Zentralbereich 12 und den ringförmigen Körper 14 verbinden (Block 102). Die oberen Oberflächen des Zentralbereichs 12 und der Träger 16 sind so abgefräst, dass sie niedriger als die obere Oberfläche des ringförmigen Körpers 14 sind (Block 104).
Ein Reliefschnitt 34 ist parallel zur oberen Oberfläche in einem Abstand von der oberen Oberfläche eingefräst, der nicht größer als die Tiefe der Blindaussparungen ist. Der Reliefschnitt 34 erstreckt sich durch den ringförmigen Körper 14 und die Träger 16, jedoch nicht durch den Zentralbereich 12. Der Reliefschnitt 34 definiert einen Boden, mit dem der Zentralbereich 12 verbunden ist, aber der ringförmige Körper 14 und die Träger 16 es nicht sind. Dies lässt den ringförmigen Körper 14, welcher mit dem Zentralbereich 12 verbunden ist, nur durch die Träger 16 verbunden (Block 106).
Ein Paar an Deformationsmesselementen 1-6 wird nur an der Oberseite jedes Trägers 16 befestigt. Die beiden Deformationsmesselemente 1-6 an jedem Träger 16 sind auf gegenüberliegenden Seiten von einer neutralen Achse 18 des Trägers 16 angeordnet und von dieser beabstandet. Die Deformationsmesselemente 1-6 sind dazu eingerichtet, um Zug- und Druckkräfte an der Oberfläche der Oberseite des Trägers 16, die durch Verformung des Trägers 16 verursacht werden, in elektrische Signale umzuwandeln (Block 108). Das Deformationsmesselement 1-6 wird an jedem Träger 16 elektrisch mit einer Verarbeitungsschaltung verbunden (Block 110).
In einer Ausführungsform definieren die Blindaussparungen ferner Biegeelemente 17 quer zu jedem Träger 16, die am distalen Ende des Trägers 16 von dem Zentralbereich 12 angeordnet sind. Die Biegeelemente 17 sind mit dem ringförmigen Körper 14 verbunden. Als zusätzliche Schritte kann ein Durchgangsöffnung 30 durch den Zentralbereich 12 gebohrt werden, um an einem Werkzeug befestigt zu werden, oder um den Durchgang von elektrischen Drähten oder Fluidleitungen zu erleichtern; und eine Mehrzahl von Befestigungsöffnungen 32 kann in den ringförmigen Körper 14 zur Montage an einem Roboterarm gebohrt und mit Gewinde versehen werden. Zusätzliche Merkmale können gebildet werden, wie zum Beispiel Durchgänge für die Verdrahtung und LEDs, sowie ein nicht belastetes Element 37 (siehe 8) für das Befestigen eines temperaturkompensierenden Deformationsmesselements.
Der Kraft- / Drehmomentsensor 10 der 4A-G ist kompakter und erfordert die Herstellung und den Zusammenbau von weniger Teilen als bekannte Kraft- / Drehmomentsensoren. Das Anordnen der Deformationsmesselemente 1-6 nur auf der oberen Oberfläche der Träger 16 ermöglicht auch kürzere Drahtläufe, einfache Sichtlinien und Zugriff auf Handwerkzeuge sowie weniger Geometriebeschränkungen gegenüber dem Stand der Technik. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung aller Deformationsmesselemente 1-6 an den oberen Oberflächen der Träger 16 zusätzliche kostensparende Fertigungsmöglichkeiten.
In einer Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, sind die Messgeräte 1-6 ohne Bonddrähte an den Trägern 16 mit herkömmlichen Mitteln (z.B. manuell mit Epoxidharz) befestigt. Eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 20 mit Drahtkontaktstellen 24 ist an der Oberfläche der WAP 12 angeklebt. Die elektrischen Verbindungen 22 werden dann direkt zwischen den Messgeräten 1-6 und den PCB-Drahtkontaktstellen 24 mit einer Drahtbondmaschine gebildet, wodurch die gesamte manuelle Handhabung der Bonddrähte vermieden wird. Wie aus der Elektronik bekannt, ist automatisiertes Drahtbonden schneller, genauer und billiger als manuelles Verdrahten.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 7 dargestellt, sind die Deformationsmesselemente 1-6 mit Lötkontaktstellen mit der Vorderseite nach unten auf SMD-Kontaktstellen (Surface Mount Device) auf einem flexiblen Schaltungssubstrat 26, beispielsweise einem Polyimidfilm, montiert. Das flexible Substrat 26 ist an den Körper des Sensors 10 angeklebt, beispielsweise über die WAP 12, und weist Laschen auf, die sich zumindest teilweise auf die obere Oberfläche jedes Trägers 16 erstrecken. Die Messgeräte 1 -6 werden auf dem flexiblen Substrat 26 zusammen mit allen anderen Schaltungskomponenten durch eine Bestückungsmaschine bestückt und aufgeschmolzen, um sie abzuschmelzen. Die SMD-Kontaktstellen sind durch vorgeformte Leiterbahnen 28, beispielsweise aus Kupfer, auf dem Substrat 26 verbunden. Dies eliminiert die gesamte Kabelverdrahtung auf Kosten einer verringerten Signalgröße (z. B. eines niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnisses) aufgrund des Biegens des Polyimidmaterials. In dieser Ausführungsform werden sowohl die manuelle Befestigung, als auch das Verdrahten der Deformationsmesselemente 1-6 eliminiert, wodurch eine Kostenreduktion und eine erhöhte Qualität, Gleichförmigkeit und Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden.
Nullsummenkoeffizienten
Im Stand der Technik betreffend Kraft- / Drehmomentsensoren mit drei Trägern gibt es zwei Sätze von drei Halbbrücken-Topologien von Deformationsmesselementen - die oben / unten und die links / rechts-Messgeräte, die an jedem Träger befestigt sind. Jeder dieser Sätze ist in Bezug auf die externen Lasten, auf die er anspricht, weitgehend voneinander getrennt - der linke / rechte Satz reagiert auf horizontales Trägerbiegen (induziert durch Tz und Fxy), während der obere / untere Satz auf vertikales Biegung (induzier durch Txy und Fz) reagiert. Wenn in dieser Anordnung Fxy oder Txy angewendet werden, biegen sich einige Träger in einer Richtung, während sich andere Träger in die entgegengesetzte Richtung biegen, wodurch Signale mit entgegengesetzter Polarität auf den jeweiligen Messwertpaaren erzeugt werden. Aufgrund dieses Verhaltens haben Koeffizienten in einer Kalibrierungsmatrix unterschiedliche Polaritäten für die verschiedenen Messwertpaare in der Gleichung, die eine X / Y-Last auflöst. In einem idealen Wandler (ohne signifikante Fehlausrichtung oder Nebensignaleffekte) summieren sich die Koeffizienten für diese X/Y-Gleichungen nahezu zu null, da die verschiedenen Messwertpaare gleichermaßen zu dem berechneten Ausgabesignal beitragen, jedoch in entgegengesetzten Richtungen belastet werden. Wenn sich die Koeffizienten auf diese Weise zu null aufsummieren, werden alle Gleichtaktsignale, die auf den Messgeräten erscheinen, mathematisch gelöscht. Diese Gleichtaktsignale sind im Allgemeinen temperaturinduzierte Effekte, die vom System beim Berechnen seiner endgültigen Ausgabesignale zurückgewiesen werden sollten.
Da die traditionelle Messanordnung zwei Fälle aufweist, in denen die drei aktiven Messgeräte auf die gleiche Weise reagieren (Fz und Tz), können sich diese beiden Achsen nicht zu null aufsummieren und werden daher eine schlechtere Leistung während des Aufwärmens (Drift) und anderer Temperaturänderungen aufweisen, da die unerwünschten Gleichtaktsignale von allen Messgeräten vermischt anstatt gelöscht werden.

Im Gegensatz dazu haben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den wesentlichen Vorteil, dass, da alle (nur oberflächennahen) Messgeräte auf alle Arten von Lasten reagieren, sie eine Nullsumme auch für die Tz-Achse darstellen, während sie den Nullsummenvorteil auf X / Y - Lastfälle wie im Stand der Technik beibehalten. Dies liegt daran, dass unter Tz in dem erfindungsgemäßen Sensor 10 sechs aktive Signale gleicher Größe vorhanden sind: drei mit positiver Polarität und drei mit negativer Polarität. Fz ist die einzige Achse, die sich nicht zu null aufsummiert, und in diesem Fall muss eine alternative Kompensationsmethode verwendet werden, um eine Leistung zu erreichen, die mit den anderen fünf Achsen vergleichbar ist. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt dieses Leistungsmerkmal für die in 1 dargestellte Konfiguration mit der in 3 dargestellten Schaltungstopologie: Tabelle 2: Messgerätausgabepolarität unter spezifischen Kräften / Drehmomenten

	Träger	16a	16a	16b	16b	16c	16c
	Messgerät	1	2	3	4	5	6	Summe
Kraft	X	-	+	+	-	+	-	0
Kraft	Y			+	-	-	+	0
Kraft	Z	+	+	+	+	+	+	6+
Drehmoment	X	+	+	-	-	-	-	0
Drehmoment	Y			-	-	+	+	0
Drehmoment	Z	+	-	+	-	+	-	0

Jede Reihe wird mit Ausnahme von Fz (dritte Reihe) zu null addiert. In diesem Fall geben alle Messgeräte ein positives Polaritätssignal aus.
Temperaturkompensation
Die einfachste und kostengünstigste Implementierung der nur auf der Oberfläche befindlichen Messgeräte ist die Verwendung einer Viertelbrückenschaltungstopologie. Die Viertelbrückentopologie weist bestimmte inhärente Nachteile gegenüber der herkömmlichen Halbbrückentopologie auf, die verwendet wird, wenn zwei Messgeräte vorhanden sind, von denen das wichtigste ein temperaturinduzierte Fehler ist. In einer Halbbrückentopologie werden Signale, die sich auf jedes Messgerät gleichermaßen auswirken (normalerweise durch Temperaturänderungen induziert), durch ihre elektrische Anordnung aufgehoben, und nur Differentialsignale (induziert durch die Erweiterung eines Messgeräts und die Komprimierung des anderen Messgeräts) liegen bei dem Ausgabesignal der Halbbrückenschaltung vor.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Temperaturkompensationsverfahren verwendet, um dieses Problem in einer Viertelbrückentopologie zu verringern. In einer Ausführungsform ist ein siebtes Deformationsmesselement, das mit den sechs aktiven Deformationsmesselementen 1-6 identisch ist, an einem Teil des Kraft- / Drehmomentsensors 10 befestigt, der unter einer aufgebrachten Kraft oder einem Drehmoment keine mechanische Belastung erfährt. Das Signal von einem siebten Deformationsmesselement, das auf dieser Verlängerung 37 befestigt ist, wird dann nur von der Temperatur beeinflusst und nicht von Lasten, und wird dann mathematisch von den Signalen der anderen sechs Deformationsmesselemente 1-6 entfernt, wenn die aufgelösten Lasten berechnet werden, um einen Temperaturdrift auszugleichen. Wie in 8 gezeigt, wird, um die kleinstmögliche Menge an mechanischer Kopplung mit dem siebten Messgerät zu erreichen, ein Bereich 35 des Kraft- / Drehmomentsensors 10 weggefräst, um eine dünne, freitragende Verlängerung 37 zu definieren, die keine mechanische Belastung trägt. Das temperaturkompensierende Deformationsmesselement ist an dem Ende der Verlängerung 37 befestigt. 8 zeigt zusätzlich, dass andere Merkmale, sofern erforderlich oder gewünscht, herausgefräst werden können, wie etwa der Verdrahtungskanal 33.
Halbbrückentopologien
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden sowohl die Temperaturauslöschungsvorteile der Halbbrückenschaltungstopologie, als auch der Nullsummenvorteil bei fünf von sechs Kraft / Drehmoment-Achsen erreicht, indem die Anordnung von zwei Deformationsmesselementen auf der unteren Oberfläche jedes Trägers 16 sowie der oberen Oberfläche nachgebildet wird. Die vier Messgeräte an jedem Träger 16 werden dann in einer X-Konfiguration verbunden, um eine Halbbrückenschaltungstopologie zu erreichen, wie es in 9 dargestellt ist. Diese Konfiguration erzeugt das gleiche Ausgabemuster wie die Viertelbrückentopologie, wie es in Tabelle 2 oben dargestellt ist.
Bei der Befestigung von Deformationsmesselementpaaren sowohl an der oberen, als auch an der unteren Oberfläche jedes Trägers 16 werden einige der inhärenten Platz- und Kostenvorteile der nur auf der Oberfläche befindlichen Ausführungsformen verfallen - beispielsweise muss eine Ausgestaltung eines Sensor 10 den Zugang zu den Bodenflächen der Träger 16 ermöglichen, um eine Ausstattung und ein Drahtführen zu ermöglichen. Bei Anwendungen, bei denen die Eliminierung eines Temperaturdrifts wichtiger ist als die Größe des Sensors 10 oder die Herstellungskosten, behalten diese Ausführungsformen jedoch signifikante Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum Beispiel summieren sich die Messausgabesignale in fünf von sechs Kraft / Drehmoment-Achsen immer noch zu null (im Stand der Technik nur für vier von sechs), und die Konstruktion des Sensors 10 kann immer noch dadurch kompakter sein, dass ein Zugang zu den Seitenflächen der Träger 16 nicht erforderlich ist.

In einer Ausführungsform der Halbbrückentopologie ist die Erregungspolarität eines der Deformationsmesselemente umgekehrt, wie es in 10 dargestellt ist. Dies hat die Wirkung, dass die Nichtnullsummenachse von Fz nach Tz verschoben wird, wie es in der folgenden Tabelle 3 angegeben ist: Tabelle 3: Ausgangspolarität eines Halbbrücken-Messgeräts mit invertierter Anregungspolarität

	Träger	16a	16a	16b	16b	16c	16c
	Messgerät	1	2	3	4	5	6	Summe
Kraft	X	+	+	-	-	-	-	0
Kraft	Y			-	-	+	+	0
Kraft	Z	-	+	-	+	-	+	0
Drehmoment	X	-	+	+	-	+	-	0
Drehmoment	Y			-	+	+	-	0
Drehmoment	Z	-	-	-	-	-	-	6-

Diese Ausführungsform findet insbesondere bei Anwendungen Verwendung, bei denen Tz nicht auftritt oder auf andere Weise von geringerer Bedeutung ist als eine genaue Messung von Fz.
In einer anderen Ausführungsform, in der die aufgebrachten Kräfte / Drehmomente für eine Dauer angelegt werden, die länger als nur momentan ist, legt ein Schaltkreis zuerst die Anregungspolarität aus 9 an und erhält für alle von Fz verschiedenen Achsen ein Nullsummensignal. Die angelegte Anregungsspannung wird dann auf die in 10 dargestellte Konfiguration umgeschaltet und ein Nullsummenlesen wird für Fz erhalten, während Tz die Nicht-Nullsummensignale erzeugt. Auf diese Weise werden Nullsummengleichungen an alle sechs Kraft- / Drehmomentachsen angelegt, und alle Gleichtaktsignale, wie beispielsweise temperaturinduzierte Fehler, werden eliminiert. Dies beseitigt die Notwendigkeit eines zugehörigen Temperaturkompensations-Deformationsmesselements (und eine mathematische Eliminierung des Fehlers) oder die Notwendigkeit, einen nicht beanspruchten Befestigungspunkt für das Temperaturkompensationsmessgerät herzustellen.
Der Hauptnachteil von Ausführungsformen der oben beschriebenen Halbbrückenschaltungstopologie ist die Notwendigkeit, Deformationsmesselemente sowohl an der oberen, als auch an der unteren Oberfläche jedes Trägers 16 anzubringen. 11 zeigt einen Kraft- / Drehmomentsensor 10, bei dem zwei Deformationsmesselemente nur an der oberen Oberfläche jedes Trägers 16 befestigt sind. Wie bei den Einzelpaar-Ausführungsformen sind die zwei Paare an Deformationsmesselementen jeweils an der oberen Fläche nur des Trägers 16 auf jeder Seite und beabstandet von der neutralen Achse des Trägers 16 befestigt. In einigen Ausführungsformen kann eine dehnungs- bzw. deformationskonzentrierende Öffnung durch den Träger 16 zwischen jedem Paar von Deformationsmesselementen ausgebildet sein.
Bei dieser Ausführungsform verhindern mehrere Biegeelemente 17 an jedem Träger 16 eine signifikante Druck- und Zugträgerbelastung, während eine Drehung am freien Ende der Träger 16 weitgehend verhindert wird. Dies bewirkt, dass sich die Träger 16 unter allen Belastungsbedingungen unter einer Scherung verformen. Somit sind die Messgeräte wenn sie elektrisch verbunden sind, wie ein in 12 gezeigt ist, immer um ungefähr gleiche Beträge gespannt, jedoch in der entgegengesetzten Richtung (Spannung / Kompression) unter allen Belastungsbedingungen. Die mechanische Konstruktion dieser Ausführungsform weist eine gewisse zusätzliche Komplexität auf, kann jedoch mit dem gleichen Verfahren und den gleichen Werkzeugen hergestellt werden, wie sie in Bezug auf die Ausführungsform der 4A-4G diskutiert wurden, und dies führt zusätzlich zu einer Erhöhung der Gesamtsteifigkeit.
Vorteile
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Kraft- / Drehmomentsensoren auf. Durch Anordnen der Deformationsmesselemente 1-6 in gespreizten Paaren, die von der neutralen Achse nur auf der oberen Oberfläche jedes Trägers 16 beabstandet sind, ist die Herstellung eines kompakten Kraft- / Drehmomentsensors 10 möglich. In einer Ausführungsform kann der Sensor 10 aus einem einzigen Metallstück hergestellt werden, wobei nur herkömmliche Fräsverfahren verwendet werden. Der Einfachheit des Zugangs zu den Deformationsmesselementen 1-6 ermöglicht den Einsatz von automatisiertem Drahtbonden auf einer Leiterplatte oder das automatische Bestücken auf einem flexiblen Substrat - in beiden Fällen entfällt die manuelle Platzierung und / oder Verdrahtung. Alle Ausführungsformen zeigen Nullsummenkoeffizienten in fünf von sechs Kraft / Drehmoment-Achsen, was die mathematische Eliminierung von Gleichtaktsignalen ermöglicht, wie sie beispielsweise durch Temperaturänderungen induziert werden. Die Temperaturkompensation kann auch bei Viertelbrückentopologie-Ausführungsformen angewendet werden, indem ein temperaturkompensierendes Deformationsmesselement an einem nicht belasteten Element des Sensors 10 angeordnet wird. In Ausführungsformen mit Halbbrückentopologie werden durch Anordnen eines zusätzlichen Paares von Deformationsmesselementen auf der unteren Oberfläche jedes Trägers 16 Gleichtaktsignale in den fünf von sechs Nullsummen-Kraft / Drehmoment-Achsen elektrisch eliminiert. In einer Ausführungsform kann die Nicht-Nullsummenachse durch Umkehren der Anregungspolarität geändert werden, wodurch alle sechs Achsen mit elektrischer Temperaturdriftbeseitigung vollständig aufgelöst werden. Eine Ausführungsform ermöglicht eine Halbbrückentopologie, während die Vorteile der nur auf der Oberfläche befindlichen Deformationsmesselementmontage beibehalten werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden so dargestellt und beschrieben, dass sie drei Träger 16a, 16b, 16c aufweisen. Während drei ausgestattete Träger 16 die minimale Anzahl sind, die erforderlich ist, um eine 6-Achsen-Kraft / Drehmomentlast aufzulösen, können in einigen Fällen mehr Träger 16 wünschenswert sein. Mehr Träger können zum Beispiel Steifigkeit zu einem Sensor 10 hinzufügen und / oder können Redundanz für den Fall bereitstellen, dass die Ausstattung an einem Träger des betreffenden Bereichs versagt. Bei bestimmten Anwendungen, bei denen keine volle 6-Achsen-Kraft / Drehmoment - Auflösung erforderlich ist, kann ein Sensor 10 zwei oder sogar einen Träger 16 verwenden.
Der Einfachheit halber und um einen konsistenten Kontext bereitzustellen, in dem die Prinzipien und der Betrieb von Kraft- / Drehmomentsensoren diskutiert werden, sind die Träger, die eine WAP und eine MAP sowohl im Stand der Technik, als auch in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbinden, hierin dahingehend beschrieben, dass sie vier Oberflächen, das heißt einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Während dies eine übliche und wirtschaftliche Konfiguration ist, beschränkt nichts in der vorliegenden Offenbarung Ausführungsformen der Erfindung auf Träger mit vier Oberflächen. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass ein Träger mit einem beliebigen polygonalen Querschnitt (z. B. dreieckig, achteckig usw.) oder mit einem bogenförmigen Querschnitt (z.B. kreisförmig, elliptisch, oval etc.) ausgebildet sein kann. Wie hierin verwendet, bedeuten die Ausdrücke „eine Oberfläche“, obere / untere / seitliche / linke / rechte Oberfläche und dergleichen, wenn sie auf einen Träger mit einem anderen als einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt angewendet werden, das Ausmaß des Trägers aus einer von vier orthogonalen Richtungen betrachtet oder abgerufen werden, wie durch die Kraft- / Drehmomentreferenzachsen definiert. Somit würde zum Beispiel ein Paar von Deformationsmesselementen, die an einem Träger mit einem kreisförmigen Querschnitt befestigt sind, als auf derselben, oberen „Seite“ befindlich betrachtet, wenn beide Messgeräte innerhalb von ungefähr ± 45 ° der projizierten Mittelachse, projiziert auf die Oberfläche in der z-Achsenrichtung, um eine 0 ° -Referenzlinie in Längsrichtung entlang des Trägers zu erzeugen, liegen. Der Fachmann kann die Messgeräte der vorliegenden Erfindung leicht auf andere Trägerformen anwenden.
Die vorliegende Erfindung kann natürlich auf andere als die hierin speziell angegebenen Weisen durchgeführt werden, ohne vom Wesensgehalt der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind in allen Hinsichten als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen, und alle Änderungen, die innerhalb des Bedeutungs- und Äquivalenzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen, sollen darin eingeschlossen sein.

Claims

Kraft- / Drehmomentsensor (10), umfassend: eine Werkzeugadapterplatte (WAP), wobei die WAP (12) eingerichtet ist, um mit einem ersten Objekt verbunden zu werden: eine Montageadapterplatte (MAP), wobei die MAP (14) eingerichtet ist, um mit einem zweiten Objekt verbunden zu werden; ein oder mehrere deformierbare Träger (16), welche die WAP (12) mit der MAP (14) verbinden; ein erstes Paar an Deformationsmesselementen (1-6), die nur an einer Seite jedes Trägers befestigt sind, wobei die Deformationsmesselemente (1-6) auf gegenüberliegenden Seiten von einer neutralen Achse (18) des Trägers (16) beabstandet sind und dazu eingerichtet sind, Zug- und Druckkräfte an der Oberfläche der einen Seite des Trägers (16), welche durch eine Deformation des Trägers (16) herbeigeführt werden, in elektrische Signale umzuwandeln; und eine Messschaltung, welche dazu eingerichtet ist, in Erwiderung auf elektrische Signale von allen Deformationsmesselementen (1-6) die Richtung und Größe der Kraft und des Drehmoments zwischen dem ersten und zweiten Objekt zu messen.
Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei: das erste Objekt ein Roboterwerkzeug oder eine mechanische Kopplung mit einem Roboterwerkzeug ist; und das zweite Objekt einen Roboterarm oder eine mechanische Kopplung mit einem Roboterarm ist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-2, ferner aufweisend eine dehnungskonzentrierende Öffnung (36) durch jeden Träger (16) zwischen den Deformationsmesselementen (1-6) auf der einen Seite des Trägers (16).
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Paar an Deformationsmesselementen (1-6), welche an einem Träger (16) befestigt sind, in einer Viertelbrückentopologie mit zwei festen Widerständen (R1, R2) elektrisch verbunden sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, ferner aufweisend eine Leiterplatte (20), welche die Messschaltung beinhaltet, und wobei elektrische Verbindungen (22) drahtgebunden von Kontaktstellen (24) auf der Leiterplatte (20) zu den Deformationsmesselementen (1-6) ausgebildet sind.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-5, ferner aufweisend ein flexibles Schaltkreissubstrat (26), wobei das Paar an Deformationsmesselementen (1-6) auf dem flexiblen Schaltkreissubstrat (26) oberflächenmontiert ist, und wobei zumindest ein Abschnitt des flexiblen Schaltkreissubstrats (26), welcher die Deformationsmesselemente (1-6) beinhaltet, sich über einen Träger (16), an welchem er befestigt ist, erstreckt.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die WAP (12), die MAP (14) und die Träger (16) alle aus einem einzigen Stück Metallmaterial hergestellt sind und eine integrale Einheit bilden.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-7, ferner aufweisend ein nicht unter Spannung stehendes Element (37), welches mit einem von der WAP (12) und der MAP (14) verbunden ist, aber nicht mit dem anderen, welches nicht in Erwiderung auf eine Kraft oder ein Drehmoment zwischen dem ersten und zweiten Objekt deformiert wird, und welches ferner ein Deformationsmesselement (1-6), das an dem nicht unter Spannung stehenden Element befestigt ist, aufweist.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Ausgabe jedes Deformationsmesselements (1-6) eine positive oder negative Polarität aufweist, und wobei die Summe aller Ausgabesignale aller Deformationsmesselemente (1-6) für zumindest fünf von sechs Kraft- / Drehmomentachsen, welche aus der Gruppe F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, T_z ausgewählt sind, im Wesentlichen null beträgt.
Sensor (10) nach Anspruch 9, wobei die Summe aller Ausgabesignale aller Deformationsmesselemente (1-6) für die F_z-Achse nicht im Wesentlichen null beträgt.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-10, ferner aufweisend ein zweites Paar an Deformationsmesselementen (1-6), welche an der gegenüberliegenden Seite jedes Trägers (16) gegenüber dem ersten Paar an Deformationsmesselementen (1-6) angebracht sind, wobei das zweite Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an gegenüberliegenden Seiten von der neutralen Achse (18) des Trägers (16) beabstandet ist und dazu eingerichtet ist, Zug- und Druckkräfte, welche durch eine Deformation des Trägers (16) herbeigeführt werden, an der gegenüberliegende Oberfläche des Trägers (16) in elektrische Signale umzuwandeln, und wobei das erste und zweite Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an jedem Träger (16) in einer Halbbrückentopologie verbunden ist.
Sensor (10) nach Anspruch 11, wobei die Summe aller Ausgabesignale aller Deformationsmesselemente (1-6) für zumindest fünf von sechs Kraft- / Drehmomentachsen, welche aus der Gruppe F_x, F_y, F_z, T_x, T_y, T_z ausgewählt sind, im Wesentlichen null beträgt, und wobei die eine Kraft- / Drehmomentachse, für welche die Deformationsmesselement (1-6) - Ausgaben sich nicht im Wesentlichen zu null aufsummieren, durch ein Umkehren der Anregungspolarität eines der Deformationsmesselemente (1-6) jedes Trägers geändert wird.
Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1-10, ferner aufweisend ein zweites Paar an Deformationsmesselementen (1-6), welche auf derselben Seite jedes Trägers (16) wie das erste Paar an Deformationsmesselementen (1-6) befestigt sind, wobei das zweite Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an gegenüberliegenden Seiten von der neutralen Achse (18) des Trägers (16) beabstandet ist und dazu eingerichtet ist, Zug- und Druckkräfte an der Oberfläche des Trägers (16), welche durch Deformation des Trägers (16) herbeigeführt werden, in elektrische Signale umzuwandeln, und wobei das erste und zweite Paar an Deformationsmesselementen (1-6) an jedem Träger (16) in einer Halbbrückentopologie verbunden sind.
Sensor (10) nach Anspruch 13, ferner aufweisend eine dehnungskonzentrierende Öffnung (36) durch den Träger (16) zwischen den Deformationsmesselementen (1-6) jedes Paares.
Verfahren (100) zum Herstellen eines einstückigen Kraft- / Drehmomentsensors (10) aus einem scheibenförmigen Metallmaterial, wobei das Material koplanare obere und untere Oberflächen von im Allgemeinen kreisförmiger Ausgestaltung mit einer Dicke zwischen der oberen und unteren Oberfläche aufweist, wobei das Verfahren (100) aufweist: Einfräsen von Blindaussparrungen in der und quergerichtet zu der oberen Oberfläche, wobei sich die Blindaussparungen in der Tiefe weniger als die Dicke des Materials erstrecken, und wobei diese einen im Allgemeinen kreisförmigen Zentralbereich (12) in dem Zentrum des Materials festlegen, wobei ein ringförmiger Körper (14) den Zentralbereich umgibt und ein oder mehrere Träger (16) radial um den Zentralbereich (12) angeordnet sind und eine Verbindung zwischen dem Zentralbereich (12) und der ringförmigen Körper (14) herstellen; Abfräsen der oberen Oberflächen des Zentralbereichs (12) und der Träger (16), damit diese niedriger als die obere Oberfläche des ringförmigen Körpers (14) sind; in einem Abstand von der oberen Fläche, welcher nicht größer als die Tiefe der Blindaussparungen ist, Fräsen eines Reliefschnitts parallel zu der oberen Oberfläche durch den ringförmigen Körper (14) und die Träger (16), aber nicht durch den Zentralbereich (12), wobei der Reliefschnitt einen Boden festlegt, mit welchem der Zentralbereich (12), aber nicht das ringförmige Element (14) und die Träger (16) verbunden sind, und verbunden Lassen des ringförmigen Elements (14) mit dem Zentralbereich (12) durch lediglich die Träger (16); Befestigen eines Paares an Deformationsmesselementen (1-6) an nur der Oberseite jedes Trägers (16) auf entgegengesetzten Seiten von, und beabstandet von, einer neutralen Achse (18) des Trägers (16), wobei die Deformationsmesselemente (1-6) dazu eingerichtet sind, Zug- und Druckkräfte an der Oberfläche der Oberseite des Trägers (16), welche durch Deformation des Trägers (16) herbeigeführt werden, in elektrische Signale umzuwandeln; und elektrisches Verbinden der Deformationsmesselemente (1-6) jedes Trägers mit einer Verarbeitungsschaltung.
Verfahren (100) nach Anspruch 15, wobei die Blindaussparungen ferner Biegeelemente (17) quer zu jedem Träger (16) definieren, welche an dem distalen Ende des Trägers (16) von dem Zentralbereich (12) angeordnet sind, und wobei die Biegeelemente (17) mit dem ringförmigen Körper (14) verbunden sind.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 15-16, ferner aufweisend: Bohren einer Montageöffnung durch den Zentralbereich (12), wobei der Zentralbereich (12) eine Werkzeugadapterplatte, WAP (12), ist, welche zur Verbindung mit einem ersten Objekt eingerichtet ist; Bohren und Gewindeschneiden einer Mehrzahl an Befestigungsöffnungen in der oberen Oberfläche des ringförmigen Körpers (14), wobei der ringförmige Körper (14) eine Montageadapterplatte, MAP (14), ist, welche zu Verbindung mit einem zweiten Objekt eingerichtet ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 15-17, wobei das erste Objekt ein Roboterwerkzeug oder eine mechanische Kopplung mit einem Roboterwerkzeug ist; und das zweite Objekt ein Roboterarm oder eine mechanische Kopplung mit einem Roboterarm ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 15-18, ferner aufweisend Bohren einer dehnungskonzentrierenden Öffnung (36) durch jeden Träger (16) zwischen jedem des Paares an Deformationsmesselementen (1-6) auf der oberen Oberfläche des Trägers (16).